全国电子设计大赛悬挂控制系统.doc

悬挂运动控制系统 摘要：本系统采用STC89C54作为控制中心，由步进电机、红外收发对管、4*4键盘及中文液晶显示屏构成的悬挂运动控制系统。该系统能自由控制悬挂物体完成自行设定运动、画圆运动、沿黑线运动等，并能正确显示物体到达的坐标位置。 关键词：控制核心；寻迹；步进电机；算法；定位 1系统模块的方案比较与论证 1.1 控制器模块 根据题目要求，控制器模块主要用于各个传感器信号接收、控制物体运动、控制显示坐标及运动时间等。对于控制器有以下二种方案。 方案一：采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二：采用AT89S52单片机作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89S52处理输入的数据并控制电机运动。 综合上述两种方案，方案二较为简单，可以满足设计要求。 1.2电机的选择 方案一：采用直流电机。直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面，但是控制复杂，定位精度差，积累误差大等缺点。 方案二：采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。 基于上述比较，为了方便地对电机进行无级调速，和需要电机带负载能力强的特点，这里我们采用步进电机。 1.3 步进电机驱动模?? 步进电机驱动是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。关于步进电机的驱动有以下方案。 方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。 方案二：采用集成电机驱动芯片L298。采用该方法实现电路驱动，简化了电路的复杂性，控制比较简单，性能稳定，且有成品电路可拿来直接使用。 基于以上分析，我们采用方案二实现电机驱动。 1.4 按键输入模块 根据题目要求，需要设置0~9十个数字和一些功能键以完成控制系统能够任意设定坐标点的功能。对于按键输入模块的选择有以下方案： 方案一：采用intel公司生产的通用可编程键盘和显示器的接口芯片8279实现键盘模块的功能，8279与单片机的接口简单，显示比较稳定，但是利用8279组成的电路原件多，面积大，电路复杂，综合成本高。 方案二：直接采用4×4矩阵键盘。其成本低，可与单片机直接相连，电路设计与连接简单，程序也编写容易，完全可达到题目的要求。 基于以上分析，采用方案二。 1.5 显示模块 方案一：采用数码管显示。数码管具有低功耗、耐老化和精度高等优点，但与单片连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，电路连接比较复杂。此外数码管只能显示少数的几个字符，基本上无法显示汉字。 方案二：采用LCD进行显示。液晶显示具有功耗低，无辐射危险、平面直角显示以及影响稳定等，可视面积大，画面效果好，即可显示图形又可显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容强等特点。 基于以上分析，采用液晶屏12864进行显示。 1.6 寻迹模块 探测板上黑线的大致原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。 方案一：采用热探测器。由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。 方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合。这种方案的缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。 方案三：使用红外反射式一体化传感器进行检测。 通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设